基于样条有限条法的辊弯成型过程可视化仿真研究
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摘要
二十世纪初，对金属进行冷弯成型加工的工艺过程已经开始应用。今天，其产
品应用于建筑、汽车、航天、轻工、机械制造等各个领域，随着直缝焊管质量的不断
提高应用日趋广泛，厚壁管材向着替代无缝管的方向发展，相应产品的配套机组相继
问世并投入实际生产。
现代新型的辊弯制管系统弥补了传统焊管成型机组的一些缺点，具有适应多种
规格产品的生产，换辊时间短甚至不需要换辊，调整灵活方便，成型过程稳定，产品
附加值高、质量好，同时轧辊磨损小，轧机能耗低等优势。因此，对辊弯制管系统的
柔性化研究与开发一直是焊管成型工艺技术发展的一个主要方向，探索管材复杂的几
何、材料和接触边界等多重非线性的变形过程与规律，不仅是现代轧机设计的核心，
也是具有实际意义的课题。
本文首先综述了国内外有关辊弯制管技术开发和研究、成型理论、成型过程计
算机模拟和可视化技术的进展。进一步完善了基于修正拉格朗日法的弹塑性大变形样
条有限条方法，修正了相应的计算列式；建立了具有“流动”特性的全程模拟模型，
体现了冷弯成型从带材咬入、在轧辊作用下变形到出口成型的过程，首次实现了辊弯
成型全流程的数值模拟；与原有分段组合模型进行了对比并定性分析了误差，与相关
文献提供的实验结果进行了对比，得到了良好的吻合；针对影响辊弯制管成型的不同
参数，进行了系统研究与一般规律的探讨，其模拟结果对实际生产和现代化孔型设计
具有指导意义。
本文将面向对象的程序设计方法引入大型数值模拟计算，以类的形式封装了计
算部分，大大提高了程序的模块化程度，易于程序的增删和维护；在VC++环境下，
开发了良好的用户界面，引入了跨平台移植的OpenGL图形库，实现了计算过程的显
示与跟踪，以曲面、曲线形式显示和分析模拟结果；为了保证程序的稳定性和适用广
泛，实现了“无缝拼接”和动态对象、数组的申请等方法，对图形曲线进行了颜色、
反走样、融合与消隐等处理。
总之，本文通过理论分析和与文献结果对比，证明了流动模型与基于修正拉格
朗日法的弹塑性大变形样条有限条方法的有效性和可靠性，结合可视化技术，不仅方
便辊弯制管系统工具设计，而且降低了试制成本和设计风险，为现代化设计提供了科
学分析的理论依据。
ABST RACT
At the beginning of the last century, the process of the. cold roll forming has started
to be applied. Today, the products have been widely used in many industrial areas, such as
construction, automobile, aviation, light industry, machinery and machinery manufacture.
As the quality improved, the pipes are used more widely. The development direction is that
the thick wall pipes will be instead of the seamless steel pipes, and the corresponding mills
have been born one after another and gone into operation.
The modem new roll forming pipe systems remedy some defects of the traditional
mills. They have lots of advantages such as meeting the productive in varied products,
short time at changing the rollers, flexible and convenient adjustment, steady forming
process and high qualities, etc. So, the study and development on flexible forming pipe
system is always main tends in the pipes forming technology. The explore on the forming
process and law of pipes with complicit geometric nonlinearity, material nonlinearity and
contact boundary is not only the key of modern rolling mill design but also a practical
significance topic.
First of all, the paper has introduced and evaluated the development and research of
roll forming pipe technology, forming theory, computer simulation of forming process and
visualization technology in the world. The method of elastic-plastic large deformation
spline finite strip based on updated Lagrangian method has been further perfected and the
corresponding calculation formula has been updated; The flow model has been established
and has the 揻low?character to simulate the strip forming process in rollers. The all
process of roll forming has been simulated for the first time; Compared with the old
segment model, the qualitative analysis on error is provided and the calcualtional results
well coincides with experimental results in relational document. Aimed at the different
parameters, the systematic study on the roll forming process has been got and the general
law was provided. The simulation results will guide practical production and modem roll
pass design.
In the paper, the Object-Oriented Programming method has been introduced to large
numeral simulation calculation. The calculational part is enveloped in form 揷lass?and the
program is easy to maintain and modify because the level of modularization is improved.
Under VC++, the user interface is friendly and the display ofcakulalinn process, analyze
of simulation result by curves or surfaces are realized as OpenGL is introduced. The some
桰I?
new methods have been used in order to ensure the safe and extensive application of
program.
In brief, the flow model and method of elastic-plastic large deformation spline finite
strip based on U.L. are been testified efficiently and correctly. Combined visualization
technology, not only the design of roll forming system is convenient but also the
experimental cost and design risk are reduced. The model and method provide theory basis
of science analyze for modem design.
品应用于建筑、汽车、航天、轻工、机械制造等各个领域，随着直缝焊管质量的不断
提高应用日趋广泛，厚壁管材向着替代无缝管的方向发展，相应产品的配套机组相继
问世并投入实际生产。
现代新型的辊弯制管系统弥补了传统焊管成型机组的一些缺点，具有适应多种
规格产品的生产，换辊时间短甚至不需要换辊，调整灵活方便，成型过程稳定，产品
附加值高、质量好，同时轧辊磨损小，轧机能耗低等优势。因此，对辊弯制管系统的
柔性化研究与开发一直是焊管成型工艺技术发展的一个主要方向，探索管材复杂的几
何、材料和接触边界等多重非线性的变形过程与规律，不仅是现代轧机设计的核心，
也是具有实际意义的课题。
本文首先综述了国内外有关辊弯制管技术开发和研究、成型理论、成型过程计
算机模拟和可视化技术的进展。进一步完善了基于修正拉格朗日法的弹塑性大变形样
条有限条方法，修正了相应的计算列式；建立了具有“流动”特性的全程模拟模型，
体现了冷弯成型从带材咬入、在轧辊作用下变形到出口成型的过程，首次实现了辊弯
成型全流程的数值模拟；与原有分段组合模型进行了对比并定性分析了误差，与相关
文献提供的实验结果进行了对比，得到了良好的吻合；针对影响辊弯制管成型的不同
参数，进行了系统研究与一般规律的探讨，其模拟结果对实际生产和现代化孔型设计
具有指导意义。
本文将面向对象的程序设计方法引入大型数值模拟计算，以类的形式封装了计
算部分，大大提高了程序的模块化程度，易于程序的增删和维护；在VC++环境下，
开发了良好的用户界面，引入了跨平台移植的OpenGL图形库，实现了计算过程的显
示与跟踪，以曲面、曲线形式显示和分析模拟结果；为了保证程序的稳定性和适用广
泛，实现了“无缝拼接”和动态对象、数组的申请等方法，对图形曲线进行了颜色、
反走样、融合与消隐等处理。
总之，本文通过理论分析和与文献结果对比，证明了流动模型与基于修正拉格
朗日法的弹塑性大变形样条有限条方法的有效性和可靠性，结合可视化技术，不仅方
便辊弯制管系统工具设计，而且降低了试制成本和设计风险，为现代化设计提供了科
学分析的理论依据。
ABST RACT
At the beginning of the last century, the process of the. cold roll forming has started
to be applied. Today, the products have been widely used in many industrial areas, such as
construction, automobile, aviation, light industry, machinery and machinery manufacture.
As the quality improved, the pipes are used more widely. The development direction is that
the thick wall pipes will be instead of the seamless steel pipes, and the corresponding mills
have been born one after another and gone into operation.
The modem new roll forming pipe systems remedy some defects of the traditional
mills. They have lots of advantages such as meeting the productive in varied products,
short time at changing the rollers, flexible and convenient adjustment, steady forming
process and high qualities, etc. So, the study and development on flexible forming pipe
system is always main tends in the pipes forming technology. The explore on the forming
process and law of pipes with complicit geometric nonlinearity, material nonlinearity and
contact boundary is not only the key of modern rolling mill design but also a practical
significance topic.
First of all, the paper has introduced and evaluated the development and research of
roll forming pipe technology, forming theory, computer simulation of forming process and
visualization technology in the world. The method of elastic-plastic large deformation
spline finite strip based on updated Lagrangian method has been further perfected and the
corresponding calculation formula has been updated; The flow model has been established
and has the 揻low?character to simulate the strip forming process in rollers. The all
process of roll forming has been simulated for the first time; Compared with the old
segment model, the qualitative analysis on error is provided and the calcualtional results
well coincides with experimental results in relational document. Aimed at the different
parameters, the systematic study on the roll forming process has been got and the general
law was provided. The simulation results will guide practical production and modem roll
pass design.
In the paper, the Object-Oriented Programming method has been introduced to large
numeral simulation calculation. The calculational part is enveloped in form 揷lass?and the
program is easy to maintain and modify because the level of modularization is improved.
Under VC++, the user interface is friendly and the display ofcakulalinn process, analyze
of simulation result by curves or surfaces are realized as OpenGL is introduced. The some
桰I?
new methods have been used in order to ensure the safe and extensive application of
program.
In brief, the flow model and method of elastic-plastic large deformation spline finite
strip based on U.L. are been testified efficiently and correctly. Combined visualization
technology, not only the design of roll forming system is convenient but also the
experimental cost and design risk are reduced. The model and method provide theory basis
of science analyze for modem design.
引文
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3 韩志武．基于大变形有限条法的冷弯成型计算机模拟与专家系统技术的研究：[博士学位论文]．秦皇岛：燕山大学．1998
4 周瑛．辊式成型过程的弹塑性大变形样条有限条模拟：[博士学位论文]．秦皇岛：燕山大学．1996
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125 小野田义富，河野光雄等．形钢NO．1素板变形形举动解析．平成6年度塑性加工春季讲演会．1994，5，26～28，习志野市
126 小野田义富，长町拓夫等．SUS304形钢．第46回塑性加工连合讲演会，1995；9，26～29，千葉市
2 曹志远，张耀勤．非线性弹性有限条分析．上海力学．1992；13(1)：30～37
3 韩志武．基于大变形有限条法的冷弯成型计算机模拟与专家系统技术的研究：[博士学位论文]．秦皇岛：燕山大学．1998
4 周瑛．辊式成型过程的弹塑性大变形样条有限条模拟：[博士学位论文]．秦皇岛：燕山大学．1996
5 殷有泉．固体力学非线性有限元引论．北京大学出版社，清华大学出版社．1986
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